實驗名稱：氣體拉曼光譜檢測裝置的設(shè)計與搭建

測試目的：開展氣體拉曼光譜檢測技術(shù)的研究，并設(shè)計基于光學(xué)反饋腔增強(qiáng)技術(shù)的氣體拉曼光譜檢測裝置。裝置采用可見光二極管激光器作為基礎(chǔ)光源，高精細(xì)度V型三鏡腔作為氣體池，通過光譜儀狹縫導(dǎo)入氣體的拉曼光譜信號，設(shè)置計算機(jī)端軟件參數(shù)，控制光譜儀與CCD相機(jī)對信號進(jìn)行實時觀測采集。本章介紹基于V型三鏡腔的光學(xué)反饋腔增強(qiáng)氣體拉曼光譜檢測裝置的總體結(jié)構(gòu)以及實驗環(huán)境要求，該裝置可劃分為三個關(guān)鍵部分，分別是激光控制模塊、氣體池、外部光路，裝置結(jié)合波長調(diào)制法實現(xiàn)激光頻率鎖定，保證氣體池內(nèi)激光功率足夠高，在氣體池的側(cè)面對氣體拉曼光譜信號進(jìn)行收集探測。

測試設(shè)備：高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、激光控制器、探測器等。

實驗過程：

激光控制模塊：該部分的作用一是通過激光控制器控制二極管激光器的溫度和電流，使激光器工作在合適的條件下產(chǎn)生功率較高、頻率噪聲較小的單模穩(wěn)定運轉(zhuǎn)激光。二是通過函數(shù)發(fā)生器輸出低頻掃描信號，以及對激光器的輸出電流進(jìn)行掃描；三是鎖相放大器的高頻調(diào)制信號與函數(shù)發(fā)生器的低頻掃描信號輸入到加法器疊加后，再輸入到激光控制器掃描和調(diào)制電流，控制激光器的最終輸出。

氣體池：該部分的作用一是作為氣體樣品池，通過進(jìn)氣口與抽氣口控制腔體內(nèi)部的氣體狀態(tài)。氣體池由V型三鏡腔構(gòu)成，包括殷鋼腔體、兩片平凹腔鏡、一片平平腔鏡、兩片寬帶高透射率窗片、進(jìn)氣口、出氣口、氣壓計接口。

外部光路：該部分的作用是將二極管激光器的輸出光經(jīng)過準(zhǔn)直、整形，使用刀口法測量光束質(zhì)量，再進(jìn)行模式匹配，使得輸出光可耦合到由V型三鏡腔組成的氣體池中，并且當(dāng)腔的透射光反饋注入激光器時，分別對光學(xué)反饋過程中的反饋率和反饋相位進(jìn)行控制。

圖1：鎖頻模塊結(jié)構(gòu)組成

光學(xué)反饋注入鎖定：本文選擇波長調(diào)制法進(jìn)行激光頻率的鎖定，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，包括鎖相放大器、PID、高壓放大器和壓電陶瓷PZT。實驗設(shè)置鎖相放大器輸出頻率為20kHz，幅度為0.026V，相位為180°的高頻正弦調(diào)制信號，輸送到加法器與函數(shù)發(fā)生器輸出的低頻掃描信號相疊加，用于調(diào)制激光器的輸出，再與V型三鏡腔腔模信號混頻解調(diào)產(chǎn)生誤差信號。如圖2所示為激光鎖頻前腔模信號與誤差信號，可以看出誤差信號存在過零點且斜率為負(fù)，零點對應(yīng)腔模信號的最大值。誤差信號輸送至PID模塊，產(chǎn)生的控制信號連接到與高壓放大器，高壓放大器的輸出再與高反鏡后粘貼的壓電陶瓷PZT連接。實驗中通過高壓放大器細(xì)調(diào)控制壓電陶瓷PZT的伸縮使得反饋相位最佳，外部光路精確保持為腔單臂的三倍，腔模信號呈左右對稱圓拱狀。鎖定前先關(guān)掉掃描信號，腔內(nèi)激光保持無規(guī)律振蕩，設(shè)置PID中P為8，I為10的3次方，D為0，此時誤差信號的斜坡消除，反饋相位鎖定到最佳點。

圖2：激光鎖頻前的腔模信號與誤差信號

拉曼光側(cè)向收集光路：基于側(cè)向收集方式設(shè)計并搭建拉曼光側(cè)向收集光路，包括凹面鏡、聚焦透鏡、陷波濾波片、光譜儀、CCD相機(jī)以及計算機(jī)。

圖3：拉曼光側(cè)向收集光路結(jié)構(gòu)

實驗結(jié)果：

本章重點討論了基于光學(xué)反饋腔增強(qiáng)的氣體拉曼光譜檢測技術(shù)，基于該技術(shù)搭建了V型三鏡腔的光學(xué)反饋腔增強(qiáng)實驗裝置。裝置需保持在恒溫、隔震、無光的實驗環(huán)境中，裝置包括三個關(guān)鍵部分，其中激光控制模塊控制激光溫度并掃描調(diào)制激光電流，產(chǎn)生模式穩(wěn)定的激光，氣體池讓進(jìn)入腔內(nèi)的激光共振干涉增強(qiáng)，并與腔內(nèi)待測氣體介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生氣體拉曼散射光，外部光路對二極管激光器輸出光進(jìn)行準(zhǔn)直、整形、模式匹配后，并耦合到氣體池中，同時氣體池的透射光沿原路反饋注入激光器，改善激光器的輸出性能。基于波長調(diào)制法將腔內(nèi)激光鎖定到腔模頂點，保證腔內(nèi)激光始終處于最大值，提高腔內(nèi)拉曼光譜信號的強(qiáng)度。拉曼光側(cè)向收集光路用于收集并分析氣體池內(nèi)部產(chǎn)生的拉曼光譜信號。

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審核編輯 黃宇